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【摘 要】在电力系统中，变电站的中低压母线是配电网中重要组成部分，由于多方面的原因，中低压母线的故障几率远远高于高压母线。目前中低压母线由于多方面原因没有装设快速母线保护。本文针对这一问题，提出了一种新型电弧光保护系统，来解决目前中低压母线无快速保护的问题。
【关键词】中低压母线；快速母线保护；电弧光保护系统
0.引言
在电力系统中，变电站的中低压母线是配电网中重要组成部分，然而，中低压母线由于出线多，操作频繁，容易受小动物危害，设备制造质量，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率远远高于高压、超高压母线。近年来，发生多起由中低压母线故障造成开关设备严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故。而主变压器由于遭受中低压侧母线故障短路电流冲击损坏的事故也逐年增加。这些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，现已引起了各电力公司的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。
1.电弧的产生及危害
1.1电弧现象产生
电弧的形成是由中性质子（如空气中的分子、原子等）被游离的过程。绝缘空间内高强度电场超过3×10^6V/m时，就会发生强电场发射和碰撞游离现象，造成整个空间都充满了自由电子和正离子，具有很大的电导，绝缘介质被击穿产生了电弧现象，电路再次被导通[1]。电力系统由于各种的短路原因可引起弧光，只要系统中不断电，弧光就会一直存在。
1.2弧光危害
1.2.1弧光故障对人员的伤害
1.2.2弧光故障对设备的伤害
1.3电弧光破坏的能力及目前电力设备所能承受的程度
1.3.1电弧故障的危害程度取决于电弧能量及持续的时间，电弧产生的能量与I^2·T成指数规律快速上升。总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。如下图所示[1]。
电弧的能量及破坏作用图
1.3.2电力设备所能承受的电弧时间
目前，各生产厂家所生产的开关柜都是IEC298标准进行生产的，在标准中明确规定了内部燃烧的时间为100ms，也是就是说开关柜所能承受的电弧燃烧时间为100ms。从继电保护的角度来说，保护动作时间加上断路器跳闸时间不应超过100ms。燃烧的损坏程度如下表[2]。
中低压母线发生短路故障时的短路电流对变压器会造成严重的冲击。目前国家的相关标准规定：110kV及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2秒，动稳定时间为0.25秒。如果保护动作的时间超过动稳定的时间就有可能造成变压器绕组绝缘破坏或烧毁，从而造成严重经济损失和社会影响。
2.现有针对中低压母线电弧光故障的处理方案
2.1改进制造工艺上，提高设备质量，从而达到提高承受燃烧能力
主要采取的科学手段如：加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这些措施只能减少很小的损坏程度，效果不理想；然而要较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备成本，严重影响了企业和电力客户的利益。下表为国外对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。
2.2继电保护方面采取的措施
2.2.1采取变压器后备复压过流保护来切除故障
这是目前国内应用最广泛的中低压母线保护解决措施。由于考虑到与出线及母线分段（母联）开关的保护配合的问题，变压器后备复压过流保护保护跳闸时间一般整定为1.2秒左右，有的甚至更长，达2.0秒以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中低压母线弧光故障的要求。但其是最经济的方案，可牺牲了保护的快速性。
2.2.2 采取常规母线差动保护的方案来切除故障
这是特别重要变电站采用的专用电流差动的中低压母线保护方案，典型的保护动作时间为35-60ms，考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求100ms 以内切除故障来说也是很慢的。采用这种方案的接线复杂，对CT的要求高，很不经济。因此也不适合中低压母线保护应用。
3.一种新型电弧光保护系统更换好解决了中低压母线故障问题
据报道，我国电力系统中每年中低压手车柜就有几百面被烧毁。究其原因大多是因为未能快速切除故障造成的。现在出现了一种新型电弧光保护系统，就很好地解决了这个问题。
3.1 保护基理
3.1.1保护原理
电弧光保护系统是通过开关柜内发生故障时发出的电光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，因而电弧光保护具有超高速的动作性能，整套保护的动作时间可以保证在十毫秒内，对开关柜内的故障保护来说，这种超高速动作性能是最重要的，因此可利用弧光传感器感受光的变化动作跳闸出口继电器。为了避免外界光干扰引起的误跳闸，当检测到弧光信号时，同时检测到过流信号才发出跳闸指令，从而进一步提高了保护系统的可靠性。
保护逻辑动作框图
3.1.2保护系统主要组成
（1）硬件组成：
其主要由：主控单元、弧光单元、弧光扩展单元、电流单元、弧光探头（传感器）等组成。
主控单元包：含有电流检测和断路器失灵保护，它通过检测短路电流和来自弧光传感器的数据，进行处理、判断，发出跳闸命令切除故障。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上级断路器切除故障。此外，主控单元还提供弧光故障点的定位和温度报警信息。
弧光单元和弧光扩展单元：用于连接主控单元和弧光传感器。当系统发生弧光故障时，收集来自弧光传感器的数据并传送给主控单元。
弧光探头（传感器）：是一种光感应元件。当发生故障有弧光的产生时，弧光传感器将感受到弧光信号传递给弧光单元。弧光传感器安装在开关柜内，监视那些脆弱而又重要部件。如开关柜母线间隔，开关柜下部CT和PT部件，电缆连接头等。
（2）保护系统通讯方式：
系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、弧光单元、弧光扩展单元、弧光扩展单元之间采用通信光缆连接。本系统通过主控单元和站内监控系统通信，主控单元可配2 路以太网，支持部颁IEC60870-5-103 等通信规约标准，方便地接入站内综自系统。
弧光保护系统配置图
3.1.3 保护定值的整定，保证保护可靠性
（1）弧光定值整定：
电弧光保护系统的弧光动作整定值为8000Lux（Lux是单位面积上所接受可见光的能量，简称照度）。故障时出现弧光的照度在6-7米的距离为9000 lux，其所包含的光谱为波长300-1500nm的光波。与其它光源有着本质的区别。
常见光源的照度表
（2）电流定值整定：
过电流的动作整定主要考虑躲过进线的最大负荷，一般整定为（1.05-1.2）倍最大负荷为宜。
3.2与传统的母线保护快速性对比
4.结束语
现代经济社会快速发展，电力系统配电网容量的逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行的影响越来越严重。各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案。电弧光保护，其原理简动作迅速可靠，对变电站开关柜设备无特殊要求，适应于各种运行方式等特点。其有着很好的应用远景，但也需要在实际应用中不断地去总结、去完善提高。
【参考文献】
[1]朱根良.中压开关事故调查中有关弧光短路等技术问题讨论.高夺开关技术通讯，2008，（6）.
[2]段绍辉.10KV高压开关柜事故情况综合分析.广东省电机工程学会，1997.
【关键词】中低压母线；快速母线保护；电弧光保护系统
0.引言
在电力系统中，变电站的中低压母线是配电网中重要组成部分，然而，中低压母线由于出线多，操作频繁，容易受小动物危害，设备制造质量，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率远远高于高压、超高压母线。近年来，发生多起由中低压母线故障造成开关设备严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故。而主变压器由于遭受中低压侧母线故障短路电流冲击损坏的事故也逐年增加。这些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，现已引起了各电力公司的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。
1.电弧的产生及危害
1.1电弧现象产生
电弧的形成是由中性质子（如空气中的分子、原子等）被游离的过程。绝缘空间内高强度电场超过3×10^6V/m时，就会发生强电场发射和碰撞游离现象，造成整个空间都充满了自由电子和正离子，具有很大的电导，绝缘介质被击穿产生了电弧现象，电路再次被导通[1]。电力系统由于各种的短路原因可引起弧光，只要系统中不断电，弧光就会一直存在。
1.2弧光危害
1.2.1弧光故障对人员的伤害
1.2.2弧光故障对设备的伤害
1.3电弧光破坏的能力及目前电力设备所能承受的程度
1.3.1电弧故障的危害程度取决于电弧能量及持续的时间，电弧产生的能量与I^2·T成指数规律快速上升。总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。如下图所示[1]。
电弧的能量及破坏作用图
1.3.2电力设备所能承受的电弧时间
目前，各生产厂家所生产的开关柜都是IEC298标准进行生产的，在标准中明确规定了内部燃烧的时间为100ms，也是就是说开关柜所能承受的电弧燃烧时间为100ms。从继电保护的角度来说，保护动作时间加上断路器跳闸时间不应超过100ms。燃烧的损坏程度如下表[2]。
中低压母线发生短路故障时的短路电流对变压器会造成严重的冲击。目前国家的相关标准规定：110kV及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2秒，动稳定时间为0.25秒。如果保护动作的时间超过动稳定的时间就有可能造成变压器绕组绝缘破坏或烧毁，从而造成严重经济损失和社会影响。
2.现有针对中低压母线电弧光故障的处理方案
2.1改进制造工艺上，提高设备质量，从而达到提高承受燃烧能力
主要采取的科学手段如：加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这些措施只能减少很小的损坏程度，效果不理想；然而要较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备成本，严重影响了企业和电力客户的利益。下表为国外对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。
2.2继电保护方面采取的措施
2.2.1采取变压器后备复压过流保护来切除故障
这是目前国内应用最广泛的中低压母线保护解决措施。由于考虑到与出线及母线分段（母联）开关的保护配合的问题，变压器后备复压过流保护保护跳闸时间一般整定为1.2秒左右，有的甚至更长，达2.0秒以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中低压母线弧光故障的要求。但其是最经济的方案，可牺牲了保护的快速性。
2.2.2 采取常规母线差动保护的方案来切除故障
这是特别重要变电站采用的专用电流差动的中低压母线保护方案，典型的保护动作时间为35-60ms，考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求100ms 以内切除故障来说也是很慢的。采用这种方案的接线复杂，对CT的要求高，很不经济。因此也不适合中低压母线保护应用。
3.一种新型电弧光保护系统更换好解决了中低压母线故障问题
据报道，我国电力系统中每年中低压手车柜就有几百面被烧毁。究其原因大多是因为未能快速切除故障造成的。现在出现了一种新型电弧光保护系统，就很好地解决了这个问题。
3.1 保护基理
3.1.1保护原理
电弧光保护系统是通过开关柜内发生故障时发出的电光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，因而电弧光保护具有超高速的动作性能，整套保护的动作时间可以保证在十毫秒内，对开关柜内的故障保护来说，这种超高速动作性能是最重要的，因此可利用弧光传感器感受光的变化动作跳闸出口继电器。为了避免外界光干扰引起的误跳闸，当检测到弧光信号时，同时检测到过流信号才发出跳闸指令，从而进一步提高了保护系统的可靠性。
保护逻辑动作框图
3.1.2保护系统主要组成
（1）硬件组成：
其主要由：主控单元、弧光单元、弧光扩展单元、电流单元、弧光探头（传感器）等组成。
主控单元包：含有电流检测和断路器失灵保护，它通过检测短路电流和来自弧光传感器的数据，进行处理、判断，发出跳闸命令切除故障。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上级断路器切除故障。此外，主控单元还提供弧光故障点的定位和温度报警信息。
弧光单元和弧光扩展单元：用于连接主控单元和弧光传感器。当系统发生弧光故障时，收集来自弧光传感器的数据并传送给主控单元。
弧光探头（传感器）：是一种光感应元件。当发生故障有弧光的产生时，弧光传感器将感受到弧光信号传递给弧光单元。弧光传感器安装在开关柜内，监视那些脆弱而又重要部件。如开关柜母线间隔，开关柜下部CT和PT部件，电缆连接头等。
（2）保护系统通讯方式：
系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、弧光单元、弧光扩展单元、弧光扩展单元之间采用通信光缆连接。本系统通过主控单元和站内监控系统通信，主控单元可配2 路以太网，支持部颁IEC60870-5-103 等通信规约标准，方便地接入站内综自系统。
弧光保护系统配置图
3.1.3 保护定值的整定，保证保护可靠性
（1）弧光定值整定：
电弧光保护系统的弧光动作整定值为8000Lux（Lux是单位面积上所接受可见光的能量，简称照度）。故障时出现弧光的照度在6-7米的距离为9000 lux，其所包含的光谱为波长300-1500nm的光波。与其它光源有着本质的区别。
常见光源的照度表
（2）电流定值整定：
过电流的动作整定主要考虑躲过进线的最大负荷，一般整定为（1.05-1.2）倍最大负荷为宜。
3.2与传统的母线保护快速性对比
4.结束语
现代经济社会快速发展，电力系统配电网容量的逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行的影响越来越严重。各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案。电弧光保护，其原理简动作迅速可靠，对变电站开关柜设备无特殊要求，适应于各种运行方式等特点。其有着很好的应用远景，但也需要在实际应用中不断地去总结、去完善提高。
【参考文献】
[1]朱根良.中压开关事故调查中有关弧光短路等技术问题讨论.高夺开关技术通讯，2008，（6）.
[2]段绍辉.10KV高压开关柜事故情况综合分析.广东省电机工程学会，1997.